Нурпеисова М.Б. д.т.н., Кыргызбаева Г.М. к.т.н., Менаяков К.Т. к.т.н., Мадимарова Г.С. к.т.н.

ИЗУЧЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА МЕСТОРОЖДЕНИЯ АКБАКАЙ

Казахский национальный технический университет

Важнейшей геомеханической характеристикой породного массива является его естественное напряженное состояние. Этому вопросу уделяется большое внимание, особенно за последние 20-25 лет.

Более 100 лет назад известный швейцарский геолог А.Гейм, выдвинул гипотезу, согласно которой напряженное состояние земной коры в любой ее точке является функцией глубины залегания горных пород. Гейм полагал, что напряжения в земной коре должны распределяться по гидростатистическому закону, т.е.

s_х=s_у=s_z=gН, (1.)

где s_х, s_у - нормальные горизонтальные напряжения;

s_z - нормальное вертикальное напряжение;

g -объемный вес породы;

Н - глубина дневной поверхности.

В двадцатых годах прошедшего столетия А.Н. Динник, в качестве модели массива горных пород в связи с задачей расчета крепи выработок принял упругую однородную изотропную гравитирующую среду с жестко ограниченными горизонтальными перемещениями. Согласно А.Н.Диннику,

s_z=gН, (2)

s_х=s_у=Кs_z, (3)

Обе эти модели напряженного состояния массивов скальных пород были выдвинуты, исходя из допущений о геомеханической однородности и изотропности массивов, и по существу модель Гейма можно получить из модели Динника, если принять коэффициент бокового распора породы равным 1,0. Последнее условие выполняется, когда значение коэффициента Пуассона горной породы0,5.

Анализируя литературу, посвященную проблемам механики скальных пород, не трудно заметить, что во многих случаях наблюдается определенная разобщенность между представлениями о геомеханической структуре реального породного массива и о его наряженном состоянии. Очевидно, для определенного круга задач, когда масштабы факторов неоднородности существенно меньше масштабов изучаемого массива конкретного месторождения или масштабов горных выработок, взаимодействующих с элементами этого массива, можно принять модель сплошного однородного тела. Поэтому рассматриваемый нами породный массив детально исследован экспериментальными методами, но полученные результаты являются составной частью исследований по изучению геомеханических процессов и следует рассматривать их не как окончательные, а итог определенного этапа работ.

На начальном этапе постановки работ по изучению напряженного состояния массивов пород Акбакайского месторождения нами был изучен керновый материал геологоразведочных скважин. При проведении исследований напряженного состояния массивов горных пород нами в основном был использован комплект аппаратуры и оборудования, разработанный ВНИМИ.

В расчетные формулы для вычислении напряжений по результатам измеренных деформаций входят модуль упругости и коэффициент Пуассона. Величины модуля упругости Е и коэффициента Пуассона определяются в лабораторных условиях по образцам, взятым в точках замеров.

Важным моментом при определении напряжений по результатам измерений деформаций при торцевом варианте метода разгрузки является способ перехода от измеренных деформаций к напряжениям.

Фактические напряжений определяли методом разгрузки на 5-ти горизонтах рудника «Акбакай»: на дне карьера -60 м и на горизонтах 120 м, 180 м, 240 м, 300 м (таблица ).

Таблица - Результаты измерения естественных напряжений кварцитах

Место измере-ния, горизонты	Глубина от дневной поверхности, Н. м	Средние значения напряжений, МПа			Сумма горизонталь- ных напряжений (sх+sу),МПа
		sх	sу	sz=gН
Карьер	60 60	5,2 5,0	3,3 3,2	2,2 2,0	8,5 8,2
2	120 120	7,8 6,3	4,4 5,7	3,3 3,5	12,2 12,0
3	180 180	9,1 10.5	6,6 5,1	5,4 5,2	15,7 15,6
4	240 240 240	12,1 14,0 13,7	7,1 5,1 5,3	6,7 7,2 6,8	19,2 19,1 19,0
5	300 300 300	12,2 14,0 13,8	10,4 9,0 8,8	8,6 8,2 8.5	22,6 23,0 22,6

Примечание: s_z – среднее значение напряжения, действующего в вертикальном направлении; s_х– среднее значение нормального напряжения, действующего в меридиональном направлении; s_у - среднее значение нормального напряжения, действующего в широтном направлении.

Анализируя таблицу 1 и полученные по другим рудникам результаты определения естественных напряжений, нельзя не заметить следующих особенностей распределения горизонтальных напряжений в породных массивах (рисунок ).

Во-первых, горизонтальные напряжения по своим значениям превосходит вертикальные, во-вторых, на равных глубинах от дневной поверохности в крепких породах горизонтальные напряжения имеют более высокие значения, чем относительно слабых, в-третьих, вертикальные напряжения в среднем бизки к значению gН независимо от прочности горной породы.

Рисунок 1 - Изменение суммы горизонтальных напряжений

(s_х+s_у) с глубиной

Согласно рисунку, связь между напряжением и глубиной считать прямолинейной, то корреляционная связь определяется по следующей формуле

s_х+s_у= 5+2,14 gН , МПа (1)

где g -объемный вес породы 2,8 10^-2 ,МПа/м

Н – глубина от дневной поверхности, м.

Естественно было стремление сравнить полученные нами результаты по напряжениям с результатами аналогичных работ других исследователей. По литературным материалам нам удалось собрать данные по рудникам, расположенным в пределах горно-складчатых структур. Анализ собранных данных по напряжением в массивах горных пород в различных регионах был увязан с типом их тектонической структурой. Например, приведенные на рисунке 2 данные по рудникам Каратау (Казахстан) Терексай и Хайдархан Кыргызской республики тесно согласуются с данными, полученными на руднике месторождения Акбакай .

По итогам изучения напряженно-деформированного состояния породного массива месторождения Акбакай можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что значения горизонтальных напряжений превышают вертикальных 1,2-1,5 раза.

2. Получена корреляционная зависимость горизонтальных напряжений от глубины и эта зависимость выражается формулой (6).

3. Полученные результаты сравнивались с результатами аналогичных работ других авторов, и они позволяют сделать вывод о достаточной высокой надежности полученных уравнений регрессии (коэффициент корреляции =0,92; его надежность =16).

4. Установлено, что независимо от местонахождения на равных глубинах в породах, близких по прочности, имеют место практические равные значения горизонтальных напряжений. Такое условие может соблюдаться лишь в том случае, если напряженно-деформированное состояние породного массива соответствует полному развитию процесса сдвижения и проявлению горного давления, где уровень сохранившихся горизонтальных напряжений зависит от прочностных свойств массива и глубины от дневной поверхности. Следовательно, для оценки состояния массива, в дальнейшем необходимо обратить внимание на изучение и учету влияния изменчивости свойств и структурных особенностей пород с глубиной.

Литература:

1. Нурпеисова М.Б., Касымканова Х.М., Кыргизбаева Г.М. Изменение геодинамичес-кого режима геологической среды при освоении недр //Геология и охрана недр, 2009, №4.- С.80-85.

2. Нурпеисова М.Б., Касымканова Х.М ., Менаяков К.Т. Кыргизбаева Г.М. Оценка геомеханического состояния массива горных пород при открыто-подземной раз-работке месторождении // Труды междун.н.п.конф. «Наука и образование- ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030»-Караганда, 2010.-С.90-94.

3. Нурпеисова М.Б., Касымканова Х.М., Кыргизбаева Г.М. Комплексное обеспечение устойчивости бортов карьеров// Материалы научно-практ.конф. «Передовые технологии на карьерах.-Бишкек, КРСУ,2011.